Работа по металлу (часть 10)

Ковка

Кузнечное дело по праву считается одним из старейших ремесел. Самыми первыми изделиями, изготовленными этим способом, были золотые украшения. Трудно поверить в то, что около 8 тысяч лет назад золото было гораздо более распространенным металлом, чем железо. Последнее научились добывать и ковать намного позже, а искусством закалки железа человек овладел лишь в 1-м тысячелетии нашей эры.

И в настоящее время техника художественной ковки является одним из самых сложных видов ремесла. Чтобы овладеть им в совершенстве, надо знать все не только о металлах и сплавах, но и уметь обращаться со всевозможными специальными инструментами, а кроме того, быть настоящим художником. 

Устройство и оборудование кузницы

Не так-то просто устроить кузницу в частном доме, а в городской квартире это совсем невозможно, даже на первом этаже. По требованиям противопожарной безопасности она должна располагаться в отдельном строении площадью не менее 40 м2, но для работы над мелкими изделиями кузницу можно сделать совсем небольшой – всего 16 м2. Стены лучше соорудить из кирпича, но если у выбранного строения они деревянные, их необходимо будет оштукатурить. Пол делают земляной или выложенный кирпичом, дверь должна обязательно открываться наружу.

Помещение должно быть светлым, с высоким потолком и вытяжными отверстиями. При горении топлива расходуется много кислорода, и кузнец может время от времени испытывать недостаток воздуха. В этом случае помещение необходимо дополнительно проветривать.

В прошлом кузница обычно ставилась на отшибе, в стороне от остальных домов. И не только потому, что кузнецов считали колдунами и побаивались, – мешал дым и постоянный стук молота. При выборе места нужно позаботиться не только о собственном удобстве, но и о спокойствии соседей. Еще одно требование: искры из дымохода или от открытого горна не должны долетать до находящихся неподалеку строений или легковоспламеняющихся предметов, например стогов сена.

Внутреннее устройство кузницы

При планировке внутреннего пространства необходимо соблюдение ряда требований, которые могут значительно облегчить работу (рис. 124).

Рис. 124. Схема планировки кузницы:

а – горн; б – наковальня; в – бачок с водой; г – стол для инструментов; д – шкаф; е – кузнечный верстак; ж – ящик для хранения угля.

Главная деталь кузницы – горн (рис. 124, а) – устанавливается около дальней от входа стены.

Как правило, горн устраивается в центре помещения, чтобы к нему можно было свободно подойти со всех сторон.

Рядом, на расстоянии 1,5–2 м от горна, ставится наковальня (рис. 124, б), которая располагается так, чтобы ее рог был с левой стороны от кузнеца, находящегося между горном и наковальней и стоящего к ней лицом. Неподалеку должен находиться бачок с водой для остужения заготовок и инструментов (рис. 124, в).

Инструмент раскладывается на металлическом столе (рис. 124, г), имеющем две полки: наиболее часто употребляемые инструменты (молотки, зубила, клещи) располагаются на верхней полке, специальные – на нижней. Рукоятки инструментов должны немного выступать за край стола.

Запасные и редко используемые инструменты хранятся в шкафу (рис. 124, д) на крючках или полочках. Вдоль стен располагаются столы для вспомогательных работ, на которых находятся тиски, точило и другие приспособления, а также жесткий кузнечный верстак (рис. 124, е).

На противоположной стороне, в углу, ближе к горну ставят ящик для хранения угля (рис. 124, ж).

Нагревательное оборудование

Горн

Горну по справедливости отводится первое место. Это приспособление используется везде, где ведется ковка металла. В разных странах горны имеют примерно одинаковую форму, которая вырабатывалась на основе опыта многих поколений.

По конструкции различаются стационарные и переносные горны. И те и другие довольно просто сделать самостоятельно. Стационарные делаются из кирпича или из металла и кирпича (рис. 125).

Рис. 125. Устройство стационарного горна: а – столешница; б – очаг; в, г – внутренняя и наружная трубы; д – зонт; е – чугунная колосниковая решетка; ж – фурма; з – шлакосборник; и – трубопровод с заслонкой.

Столешница, обычно квадратная (100 х 100 или 100 х 150 см), изготавливается из строительного кирпича (рис. 125, а).

В центре делается ровное углубление для очага размерами 40 х 40 х 15 см, которое выкладывается огнеупорным кирпичом (рис. 125, б). В углубление засыпается топливо, там же нагреваются заготовки.

Часть образующихся при сгорании топлива шлаков удаляется через внутреннюю трубу (рис. 125, в), часть улавливается зонтом (рис. 125, д) и выходит через наружную трубу (рис. 125, г). Внутренняя труба при этом накаляется, вследствие чего увеличивается тяга.

На дне очага делается отверстие для подачи воздуха, над которым устанавливается чугунная колосниковая решетка (рис. 125, е). Под ней находится устройство, внешне напоминающее конфорку газовой плиты, – фурма (рис. 125, ж). Она служит для равномерного распределения воздуха по очагу и защищает воздухопровод от попадания в него шлаков и золы. Это наглядно видно на рис. 126.

Рис. 126. Чугунная колосниковая решетка.

В нижней части фурмы делается шлакосборник, или крышка (рис. 125, з), в котором скапливаются мелкие частички шлака. Его периодически открывают и очищают от отходов. Отверстие для подачи воздуха располагается сбоку, в стенке фурмы, и оборудуется заслонкой, чтобы обеспечить равномерную подачу воздуха (рис. 125, и).

Сопло может располагаться и в боковой стенке очага, тогда это горн с боковым дутьем (рис. 127).

Рис. 127. Горн с боковым дутьем.

Устройство его значительно проще, он не имеет решетки и шлакосборника, а отходы удаляются через находящийся в задней части канал. Подача воздуха в стационарный горн осуществляется с помощью компрессора или сильного вентилятора. Можно использовать и домашний пылесос, подсоединив его шланг к выходному отверстию и прикрыв пластмассовый корпус жестяным кожухом от попадания искр (рис. 128).

Рис. 128. Подача воздуха в горн с помощью пылесоса.

Переносные горны отличаются большей простотой. Их конструкции могут быть очень разнообразными. На рис. 129 изображен переносной горн с педальным приводом, используемым для подачи воздуха.

Рис. 129. Переносной горн с педальным приводом.

Для переносных горнов может использоваться паяльная лампа, создающая поток воздуха (рис. 130).

Рис. 130. Переносной горн с использованием паяльной лампы.

Работа горна

Топливом для горна служит малозернистый каменный уголь. Хорошую температуру дает коксующийся уголь.

Однако чаще всего в небольших кузницах используется древесный уголь. Он более доступен, но коэффициент его полезного действия не превышает 2,5 %. В промышленности для растопки горнов используется жидкое топливо, но его нужно подводить с помощью специальной аппаратуры и принимать особые меры предосторожности, чтобы в кузнице не произошел пожар или взрыв. Поэтому кузнецы-художники пользуются в основном угольными горнами.

Когда в работающем горне устанавливается режим горения, топливо разделяется на три зоны (рис. 131).

Рис. 131. Горение угля в горне.

Самый верхний слой образует свежий уголь, из которого под действием идущего снизу тепла испаряется влага. Нагревающееся топливо распадается на летучие вещества и кокс, который при горении дает основное количество тепла. Отходы горения оседают на решетку в виде золы.

Наковальня

Еще одним незаменимым элементом кузницы является наковальня. На ней металлу придается необходимая форма, проводится закалка и другие основные операции.

Стационарные наковальни делают из прочной легированной стали, их масса достигает 350 кг. На наковальню приходится большая нагрузка, и поэтому она должна обладать устойчивостью и прочностью. При легком ударе кузнечным молотом хорошая наковальня издает ровный и чистый звук, а если в ней есть трещины или пустоты, звук получается глухим. На рабочей поверхности наковальни при надпиливании остается только едва заметный след.

Наиболее распространены двурогие наковальни (рис. 132), но встречаются и однорогие.

Рис. 132. Наковальня:

а – рог; б – хвостовик; в – лицо; г – углубление для пробивания отверстий; д – отверстие для установки подкладного инструмента; е – площадка для рубки металла; ж – башмак.

Рогом называется выступ на ее боковой части, который, в зависимости от назначения, имеет разную форму (рис. 132, а). У большинства однорогих наковален он конусообразной формы и предназначен для гибки и раскатки закругленных частей изделий. Второй рог делается в виде усеченного конуса и удобен для загибания на углы меньше 90°.

У основания рога имеется специальная незакаленная площадка для рубки металла зубилом (рис. 132, е).

С противоположной стороны наковальня имеет похожий на рог выступ квадратной формы – хвостовик (рис. 132, б). Он используется для гибки под прямым углом.

У однорогих наковален для этой цели служит край рабочей поверхности.

Плоская поверхность в центре наковальни называется лицом, на ней производится большинство операций плоской ковки (рис. 132, в). Для большей прочности на нее иногда наваривается пластина из прочной стали – наличник.

На рабочей поверхности со стороны рога имеется одно или несколько круглых углублений для пробивания в заготовках отверстий (рис. 132, г). С другой стороны сделано квадратное отверстие 35 х 33 мм для установки подкладного инструмента (рис. 132, д).

Наковальня опирается на массивную ногу, или башмак (рис. 132, ж), который имеет четыре крепежных отверстия и выемку в нижней части основания. В башмак вставляется центральный шип, скрепляющий наковальню с подставкой.

Под наковальню необходимо сделать прочную деревянную или песочную подушку, которая гасила бы импульс от удара по лицевой части. Крепление производится с помощью костылей, вставляющихся в отверстия ноги, или хомутами. Для большей устойчивости основание немного вкапывают в землю.

Лицевая поверхность должна располагаться строго горизонтально. Вокруг наковальни оставляют свободное место, на котором, не мешая друг другу, могут работать кузнец и молотобоец. Для большего удобства ее размещают на расстоянии 1,5 м от горна рогом от него.

Высота, на которой устанавливается наковальня, делается такой, чтобы удар молотом по наличнику приходился горизонтально. При этом работающий не должен тратить дополнительных усилий на подгонку удара – нагибаться или слишком высоко поднимать инструмент вверх.

Поверхности горна и наковальни должны располагаться примерно на одном уровне, что уменьшает усилия при переносе деталей.

Техника безопасности при работе в кузнице

Первое правило – противопожарная безопасность. Работа в кузнице требует применения огня и высоких температур (до 1500 °C). Под рукой всегда должны быть песок и вода, а также огнетушитель. Кроме этого, необходимо учитывать требования безопасности при оборудовании кузницы.

На различных стадиях обработки металла его приходится нагревать до очень высоких температур на открытом огне. При этом топливо в горне время от времени необходимо ворошить, в стороны летят искры и кусочки угля. Часть их попадает в дымоход, а часть разлетается по кузнице. Раскаленные частички топлива не должны попадать на легковоспламеняющиеся вещества, бумагу, деревянные предметы или одежду.

Во время работы инструменты подвергаются действию тех же температур, что и нагреваемые детали. Поэтому их периодически надо охлаждать в воде. Так как емкость с водой ставится недалеко от горна и наковальни, то вода быстро загрязняется пеплом и мелкими крошками металлов. Перед началом ковки ее обычно меняют.

От частого раскаливания и охлаждения инструменты теряют закалку, становятся мягкими и меняют свою форму. На них могут образовываться сколы, трещины и заусенцы. Особенно это касается молота. Он испытывает сильные деформации от постоянных ударов, рабочая поверхность его опускается и расползается в разные стороны. Тогда его снимают, возвращают ему исходную форму и вновь закаляют. Неисправным инструментом проводить ковку запрещается.

Когда молотом работает молотобоец, кузнец должен стоять так, чтобы направление удара не пересекало его тела. В такой позиции случайно соскочивший с ручки молот не причинит ему вреда.

Молотобоец – не самостоятельный кузнец, а помощник, поэтому должен беспрекословно подчиняться командам мастера. Они подаются голосом, громко и четко. Простые команды и точное место удара можно показать ручником.

Окончание работы происходит только по приказу «Стой!» или «Отбой!». До него нельзя убирать заготовку с наковальни, иначе холостой удар придется по наличнику и сильно деформирует инструмент.

Поковку необходимо класть всей поверхностью, чтобы удар целиком поглотился наковальней. В противном случае часть импульса перейдет в поддерживающий инструмент и он вылетит из рук (или деталь деформируется).

Удар должен приходиться строго по заготовке или по промежуточному инструменту, а не по наковальне или клещам.

Для рубки на наковальне существует специальный незакаленный участок у основания рога. Первый удар делается слабо, им только намечается направление прорубки. Последний также должен быть легким, его можно проводить на краю наковальни, держа заготовку отрубаемым концом от себя.

Во время работы все участки тела необходимо защитить от случайного попадания искр и кусочков отлетающего металла. Ранить могут отлетевшие куски окалины, поэтому перед работой с заготовки необходимо счистить окалину с помощью металлической щетки, скребка или сбить легкими ударами молотка.

Чтобы уберечься от высокой температуры горна, лучше надеть рабочий костюм или комбинезон из плотной (брезентовой или холщовой) ткани. Он должен закрывать все участки тела.

Следует помнить о том, что многие инструменты в кузнице нагреваются. Металл хорошо проводит тепло, и, если даже в огонь помещалась только рабочая часть, ручка все равно будет горячей.

Заготовки, побывавшие в горне, надо брать только специальными клещами. На руки необходимо дополнительно надеть рукавицы из кожи или двойного брезента. Ненужный инструмент сразу же охлаждают в баке с водой.

Ботинки для работы в кузнице нужно взять массивные, на толстой подошве, чтобы защитить стопы от падающих на пол искр. Обычно это специальная строительная или военная кирзовая обувь. Ботинки должны также защищать от случайно упавшего на ноги инструмента или заготовки. Поверх рабочей одежды надевается кожаный фартук. Он должен защищать грудь и ноги кузнеца.

Кроме этого, необходимо иметь головной убор из плотной войлочной ткани, простые рабочие рукавицы и защитные очки. Во время работы с раскаленными деталями в горне степень нагрева определяется по цвету металла. Чтобы предохранить глаза от яркого света, пригодятся очки с затемненными стеклами.

Посторонних в кузнице не должно быть! Они так или иначе могут отвлечь от работы и ослабить внимание. Кроме того, во время работы они сами могут оказаться в опасности.

Помощь при несчастных случаях

При любом серьезном несчастном случае следует обратиться к врачу. Но до этого пострадавшему можно оказать доврачебную помощь.

Если кузнец чувствует удушье, головокружение или начинает терять сознание, то ему сразу же нужно выйти из помещения, расстегнуть рабочую одежду, облегчив доступ свежего воздуха. Причинами такого состояния являются не усталость и переутомление, а недостаток кислорода, который активно расходуется при горении, или тепловой удар. Последний возникает при повышении температуры в помещении. После выхода на свежий воздух следует сбрызнуть лицо и грудь холодной водой.

При небольших ожогах пораженное место смазывается раствором марганцовокислого калия или стрептоцидовой мазью. Если обожжен большой участок кожи, то около пострадавшего места аккуратно разрезается одежда и на него накладывается стерильный бинт.

Для облегчения боли при ушибах различной тяжести на место удара накладывается холодный компресс. Если пострадала кость, необходимо сделать перевязку или поставить твердую шину и обратиться в медпункт.

Инструменты

По назначению все кузнечные инструменты делятся на основные, вспомогательные и измерительные. В группу основных инструментов, кроме рассмотренных выше, входят различные кувалды, гладилки, шпераки и пр. С их помощью металлу придаются необходимые формы и размеры.

Основные инструменты, в свою очередь, делятся на опорные, подкладные и ударные. 

Опорные инструменты

К ним, кроме большой наковальни, относятся так называемые шпераки – маленькие наковальни массой до 4 кг (рис. 133).

Рис. 133. Шпераки различной формы.

Они устанавливаются в квадратное отверстие наковальни или вставляются непосредственно в опору наковальни.

Их форма зависит от характера выполняемых работ, каждый мастер обычно делает шпераки сам с расчетом на конкретное изделие. На них выполняется окончательная ковка мелких частей детали, гибка сложных форм и другие специальные операции.

Ударные инструменты

К ударным инструментам относятся молоток (ручник) и кувалда (молот) (рис. 134, а, в).

Рис. 134. Кувалда и молотки: а – кувалда; б – боевые молоты; в – ручник; г – фасонные молотки.

Самый тяжелый инструмент кузнеца – кувалда, ее вес может достигать 16 кг. Собственно кувалдой (рис. 134, а) называют молот с двумя плоскими бойками. Если один из бойков (задок) клиновидный, то молот называют боевым (рис. 134, б). Задок служит для разгона металла. Он может быть односторонним или двухсторонним, продольным или поперечным. Кувалдами и боевыми молотами весом 10–12 кг работают молотобойцы двумя руками. Длина ручки у такого инструмента 70–95 см. Там, где не требуется очень большой силы удара, пользуются молотами весом 2–4 кг, которыми иногда можно работать и одной рукой, без молотобойца.

Ручник (рис. 134, в) используют для мелких поковок, для указания молотобойцу места удара кувалдой и других работ. Его вес – 0,5–2 кг, а длина рукоятки – 35–60 см. Задок клиновидный, тупой, заостренный или шарообразный.

Фасонные молотки (рис. 134, г) предназначены для работы над деталями различной формы, их каждый мастер изготавливает самостоятельно по своим потребностям и особенностям работы. Особым ударным инструментом является киянка – молоток, полностью сделанный из дерева. В кузнечном деле киянка применяется в основном для работы с проволокой.

У всего ударного инструмента необходимо часто проверять крепление головки к рукояти и состояние самой рукояти. Иногда рукоять делают металлической и приваривают к головке, но такой инструмент быстро нагревается и отдает в руку при ударе, то есть плохо амортизирует удар. Деревянная рукоять лучше, но она может треснуть или расшататься в месте насадки. Треснувшую рукоять нужно сразу же заменить, а насадку регулярно проверять и поправлять. Если после нескольких ударов головка вновь начинает шататься на рукояти, ее необходимо снять и насадить заново.

Для того чтобы инструмент не подвел в нужный момент, его нужно периодически проверять. Насадочное отверстие кувалд и некоторых молотков имеет расширение в обе стороны, чтобы повысить прочность крепления ручки. От сильных ударов клин часто расшатывается, и его время от времени подправляют.

Рукоять делают деревянной, из прочных сортов дуба, клена, рябины, с небольшим утолщением к свободному концу. Она часто трескается или ломается в месте крепления молота (на него приходится наибольшая сила удара), поэтому при появлении трещин ее необходимо заменить. Для большей безопасности ручку кувалды иногда делают металлической, наглухо приваривая ее к головке. Но она намного хуже деревянной амортизирует удар, и импульс вибрирующей рукоятки передается в руку.

Подкладные инструменты

Подкладные инструменты располагаются между молотом и поковкой или между поковкой и наковальней. К ним относят зубило, подсечку, пробойники (бородки), обжимки, подбойки, раскатки и гладилки.

Зубило и подсечка

Зубило (рис. 135) и подсечка (рис. 136) применяются для рубки металла.

Рис. 135. Виды зубил: а – для поперечной рубки холодного металла; б – для поперечной рубки горячего металла; в – для продольной рубки; г – для рубки по радиусу; д – для фасонной рубки.

Рис. 136. Подсечка.

Кузнечное зубило имеет отверстие для ручки и насаживается без расклинивания. Различают зубила для горячей рубки (угол заточки не более 50°), для холодной рубки (угол заточки не менее 60°), зубила с полукруглым лезвием и фигурные зубила. Нож фасонных (фигурных) зубил имеет закругленную форму и служит для вырезания контуров неправильной формы.

Подсечка вставляется в отверстие наковальни с помощью четырехгранного хвоста.

Можно производить рубку металла между зубилом и подсечкой с помощью одного зубила (на площадке у основания рога наковальни) или на самой подсечке.

Работать зубилом можно и с использованием подсечки, которую устанавливают в отверстие на хвосте наковальни. Эти инструменты выпускаются парами.

Зубилом можно высекать узоры. Для этого раскаленную поковку следует положить на лицо наковальни и держать щипцами или зажать в тисках. Наставив зубило, нужно наносить удары молотом или ручником. На холодной заготовке рисунки и узоры лучше насекать слесарным зубилом и молотком.

Пробойники и бородки

Пробойники (рис. 137) и бородки служат для пробивания отверстий.

Рис. 137. Пробойник.

Их, как и зубила, насаживают на рукоятки. Пробивание (просечка) отверстий производится на горячей заготовке с помощью круглого отверстия наковальни. Вначале ударом пробойника нужно сделать на металле углубление на месте будущего отверстия, затем переместить заготовку на лицо наковальни и несколько раз с помощью пробойника ударить по тому же месту. Вновь прогреть заготовку и положить ее противоположной стороной вверх. Выбить пробойником отверстие. Оформить его проковкой на роге наковальни. По сечению рабочей части различают квадратные, прямоугольные, круглые, овальные и фасонные пробойники, которые используются для просечки различных отверстий и декоративных работ.

Обжимки

Обжимки придают изделию цилиндрическую (рис. 138) или граненую форму.

Рис. 138. Обжимка цилиндрической формы: а – верхник; б – нижник.

Они состоят из двух половин – верхника и нижника. Нужно вставить нижник хвостом в квадратное отверстие наковальни, положить на него разогретую заготовку, наложить на нее верхник и наносить по нему удары до смыкания частей обжимки. Для получения длинного участка сечения нужно постепенно передвигать заготовку по мере проковки.

Подбойки

Подбойки (рис. 139) состоят из верхника и нижника и применяются для выделки углублений, канавок, желобков и т. п., а также для облегчения протяжки металла при ручной ковке. Их рабочая поверхность может быть разной формы.

Рис. 139. Подбойки: а – верхник; б – нижник.

Раскатка

Раскатка (рис. 140) – подкладной инструмент, напоминающий молоток с выпуклым (полукруглым) бойком и плоским задком.

Рис. 140. Раскатка.

С ее помощью ускоряется вытяжка металла в длину.

Гладилки

Их используют для выглаживания поверхности изделия, удаления следов от кувалды. Рабочая поверхность гладилок хорошо отшлифована, края немного приподняты, чтобы грани не пропечатывались на поковке. Гладилки тоже парные инструменты, но можно работать и одной верхней частью. Форма инструментов может быть полукруглой, тогда выглаживать поверхность лучше на роге.

Гвоздильня

Гвоздильня (рис. 141) – металлическая доска толщиной около 2,5 см и размером обычно 30 х 4 см, в которой сделаны конические отверстия разных размеров.

Рис. 141. Гвоздильня.

С помощью гвоздильни можно делать (высаживать) головки болтов и заклепок, шляпки гвоздей и т. п. Гвоздильня предназначена для изменения формы конца стержня. Обычно ее используют для получения утолщенных шляпок гвоздей, заклепок или болтов.

В нее вставляют меньший по размерам стержень и серией ударов деформируют выступающую часть так, чтобы она заполнила собой все пространство формы. Ее стенки имеют небольшой уклон для облегчения снятия гвоздильни с заготовки.

Многорядные гвоздильни представляют собой плиту с различными по форме отверстиями, которую устанавливают на плоской поверхности наковальни. Ударами в нее вбивают металл, а затем переворачивают и выбивают готовые детали.

Формы и оправки

Для ковки однотипных изделий будут нужны различные формы, оправки и т. д. Кузнечная форма – это массивная стальная плита толщиной 10–15 см с отверстиями и желобами (ручьями) различной формы. Раскаленную заготовку необходимо наложить на нужное отверстие или ручей, под ударами молота она примет соответствующую форму.

Плита

При изгибе различных кривых (завитков, меандров и т. п.) из прутков и полос используют стальную плиту с рядами просверленных отверстий. Плотно вставив в подобранные по шаблону отверстия стальные штыри, можно легко выгнуть вокруг них или между ними необходимую кривую. Особенно полезно это приспособление в тех случаях, когда необходимо сделать несколько одинаковых деталей для решетки, ограды и т. д.

Вспомогательные инструменты

Вспомогательные инструменты и приспособления ускоряют и облегчают работу.

Важнейшим вспомогательным инструментом являются кузнечные клещи. С их помощью поковки вынимаются из жара, удерживаются в ходе ковки, поворачиваются в нужное положение и т. д. Клещи бывают продольными, поперечными, с прямоугольными, квадратными, круглыми губками и т. п. (рис. 142).

Рис. 142. Клещи: а – для круглого металла; б – для квадратного сечения; в – для полосового металла.

Рис. 142 (продолжение). Клещи: г – для уголка; д – для широкой полосы; е – для заклепок.

Рукояти клещей должны пружинить и легко удерживаться одной рукой. Для более надежного зажима поковки в клещах можно насадить на ручки кольцо – шпандырь. Если ширина захвата слишком велика, можно воспользоваться открытым (разомкнутым) кольцом (рис. 143).

Рис. 143. Клещи с круглым и скобообразным шпандырем.

Для изгиба и закручивания некоторых изделий применяют специальные вилки с длинными рукоятками, позволяющие захватить заготовку для изгиба и приложить к ней большое усилие, не нанося ударов молотом.

Тиски

В кузнице обязательно надо иметь одни или несколько тисков. Самые большие – слесарные – располагаются на отдельном верстаке. Их губки должны быть снабжены специальными насадками, смягчающими давление на горячий металл.

Часто в тиски зажимают не сами заготовки, а подкладки или различные специальные приспособления, которые нельзя закрепить на наковальне. Для этого надо иметь специальные съемные тиски, закрепляющиеся на хвосте с помощью надежного винтового механизма.

Хорошо иметь под рукой несколько струбцин разных размеров, особенно если мастер работает в кузнице один.

Измерительные инструменты

Для кузнечных работ используются как универсальные, так и специальные измерительные инструменты. Остановимся подробнее на специальных.

Усадочная линейка используется для определения усадки детали при нагревании или остывании. Ее шкала имеет цену деления от 0,01 до 0,015 и позволяет измерять усадку на глаз, без помощи специальных формул.

Кузнечные кронциркули делают многоразмерными, что позволяет снимать несколько размеров поковки. Это позволяет контролировать размеры детали в ходе всего процесса ковки.

Шаблоны изготовляет сам кузнец для той детали, которую он обрабатывает. На них наносятся размеры поковки и припуск на механическую обработку. 

Материалы

Для ковки в условиях небольшой кузницы можно использовать довольно большое число различных металлов и сплавов. Большинство изделий выполняется из стали всевозможных марок. 

Сталь

Как говорилось ранее, для ручной ковки наиболее пригодна так называемая поделочная сталь. Она наиболее ковкая и пластичная, легко поддается химической обработке.

В этой главе различные сорта стали рассматриваются с точки зрения тех свойств, которые используются в кузнечном деле. Это прежде всего пластичность и ковкость.

Пластичность

Сталь и другие металлы состоят из кристаллов вещества, или зерен, которые в процессе перехода из жидкого состояния в твердое хаотически образуются одновременно во многих точках.

Железо при температуре ниже 910 °C имеет кубическую кристаллическую решетку. Но на практике за счет различных неметаллических включений она нарушается. Свойства стали зависят как от характера решетки, так и от самих включений.

В процессе холодной деформации размеры зерен металла уменьшаются, а сами зерна получают одинаковую направленность, вследствие чего верхний слой приобретает большую прочность. Этот слой называется наклепом.

Во время горячей пластической деформации металл восстанавливает обычную кристаллическую решетку и зернистость, а значит, исходную пластичность. 

Легирующие добавки

В состав стали, кроме углерода, входят другие добавки. Они оказывают различное влияние на свойства сплавов, которое необходимо учитывать при выборе заготовки для изделия.

Сера и фосфор являются теми примесями, которые появляются в ходе выплавления стали. Они придают деталям хрупкость при красном калении (красноломкость). У металла, выплавленного мартеновским способом, содержание этих элементов ниже. Для нормальной ковкости оно не должно превышать 0,05 %.

Чтобы не увеличивать количество серы в процессе ковки, рекомендуется пользоваться древесным, а не каменным углем, в котором ее меньше.

Марганец снижает вредное воздействие серы, способствует лучшему сопротивлению ударам, делает металл более твердым и прочным. В разных сортах стали его содержание варьируется от 0,5 до 1 %.

Кремний увеличивает упругость стали, но снижает вязкость и свариваемость. Его содержание не должно превышать 0,3 %. Кроме этого, применяются специальные добавки, влияющие на различные свойства стали.

Для ковки лучше всего подходят никелевые сплавы: этот элемент повышает пластичность и вязкость металла. Хорошо поддаются обработке сплавы, легированные ванадием, который снижает величину зерна и тем самым увеличивает ковкость.

Хром и вольфрам придают стали повышенную прочность и твердость, но отрицательно влияют на пластичность. Ковать такие сплавы сложно, нагрев их осуществляется медленно из-за низкой теплопроводности, температурный интервал ковки небольшой.

Для легирующих добавок приняты следующие обозначения: хром – Х, марганец – Г, никель – Н, кремний – С, ванадий – Ф и др. Цифрами маркируют максимально допустимое по условиям выплавки содержание данного элемента; если число не проставлено, значит, содержание добавки меньше 1 %. Таким образом, сталь, содержащая около 0,07 % углерода, до 1 % марганца и не более 3 % никеля, будет обозначаться Ст7ГН3. Буква А в конце записи указывает на высококачественный сплав.

Цветные металлы и сплавы

В кузнечном деле редко применяются чистые цветные металлы.

В основном используются четыре группы сплавов: алюминиевые, магниевые, титановые и медные.

Алюминиевые сплавы

В соответствии со своими свойствами эти сплавы делятся на две группы.

К первой относятся высокопластичные сплавы с марганцем и магнием, обозначаемые АМГ. Они обладают прекрасными технологическими свойствами, хорошо куются и свариваются. Их отличает повышенная устойчивость к коррозии.

Сплавы второй группы имеют более широкий спектр добавок, в которые входят медь (Д1, Д16), кремний (АВ), цинк (В93, В96) в различных комбинациях. Эти элементы придают материалам повышенную прочность и ковкость.

Алюминиевые сплавы используются для изготовления деталей, испытывающих повышенные нагрузки. Дополнительную прочность изделиям можно придать холодной ковкой.

Медные сплавы

В зависимости от основной легирующей добавки они делятся на латуни и бронзы. Первые отличаются большей прочностью и пластичностью за счет добавления цинка. Доля этого металла не должна быть очень высокой, иначе металл будет испытывать слишком сильные перегрузки во время ковки.

В кузнечном деле используются также латуни со специальными легирующими элементами – свинцом, никелем, алюминием и т. д.

В качестве основных добавок для изготовления бронзы применяются олово и алюминий, специальные добавки – такие же, как и у латуни. Эти сплавы отлично куются и чаще всего используются для изготовления художественных произведений, так как дают небольшую усадку и обладают устойчивостью к коррозии.

Иногда для создания прочных поковок с низкой температурой каления берут магниевые и титановые сплавы. Но технологически изготовить из них поковку намного сложнее, чем из стали или бронзы, так как необходимо очень точно соблюдать температурный режим.

Техника ковки

Теперь рассмотрим процесс ковки. Хотя существует и холодная ковка, основные операции кузнец проводит именно с горячим железом. Разогревают его в горне. Это не такое уж простое дело, как может показаться.

Способов и приемов ковки множество, но все их можно свести к нескольким основным операциям. Это осадка и высадка, протяжка или вытяжка, рубка, прошивка или пробивка отверстий, гибка, закручивание, отделка (выглаживание), нанесение рисунка, набивка фактуры и рельефа, кузнечная сварка. 

Нагрев металлов

Этот процесс начинается с розжига и топки горна.

Для начального нагрева холодного горна необходимо очистить очаг от золы и шлака, продуть фурму. Затем засыпать в очаг небольшой слой угля, следя за тем, чтобы отверстия фурмы оставались свободными, поверх него – древесную стружку или пропитанную керосином ветошь. Поджечь ветошь или стружку, засыпать сверху второй слой угля и начать слабо поддувать воздух в фурму. Когда уголь разгорится, добавить еще топлива и плавно увеличить подачу воздуха.

Уголь в горне спекается в корку, под которой и развивается необходимая высокая температура. Для разогрева заготовки зарывают ее целиком или нужную часть в горячие угли подальше от фурмы (чтобы между металлом и фурмой постоянно был слой раскаленного угля) и засыпают свежим углем. Корка образует спекшийся свод, который должен всегда быть целым. Время от времени подгребают от краев очага к центру свежий уголь и слегка обрызгивают его водой. Если угли под коркой выгорели и образовалась большая полость, разрушают свод и подгребают свежий уголь; вскоре образуется новая корка. Заготовку периодически поворачивают для равномерного нагрева.

Регулируют поддув так, чтобы пламя было нейтральным, невысоким, слегка коптящим. Избыток воздуха (высокое дутье) вызывает перегрев металла и оплавление кромок. Кроме того, образуется окалина, которая приводит к потерям (угару) металла, снижает качество и затрудняет дальнейшую обработку заготовки. Избыточный или неоправданно долгий разогрев заготовки приводит к пережогу металла, он становится хрупким, при ударе рассыпается на части.

Хорошая ковкость появляется после достижения температурного промежутка, который для каждого металла свой. Нагревать заготовки чаще всего приходится до ковочной температуры, которая для разных видов стали составляет от 1200 до 1250 °C.

Определение степени нагрева осуществляется с помощью специальных приборов – термопаров и пирометров. Но в условиях обычной кузницы проще и вернее определять ее на глаз. На разных степенях каления металлы окрашиваются в разные цвета, которые при остывании меняются в обратном порядке.

При дневном освещении в тени температуры нагрева соответствуют следующим цветам:

– 530–580 °C – темно-коричневый;

– 580–650 °C – красно-коричневый;

– 650–730 °C – темно-красный;

– 730–780 °C – вишневый;

– 780–830 °C – светло-вишневый;

– 830–900 °C – красный;

– 900–1050 °C – светло-красный;

– 1050–1150 °C – соломенно-желтый;

– 1150–1250 °C – лимонно-желтый;

– 1250–1400 °C – ослепительно белый.

Режимы нагрева

Правильный режим нагрева имеет большое значение для качественной последующей обработки. Обязательно нужно учитывать температурный интервал, верно определять время нагрева заготовки, чтобы не допустить пережигания или недокала.

Обычно ковку начинают при 1100° C и заканчивают при 700 °C. Следует помнить о том, что при длительном нагреве углерод стали выгорает прежде всего с поверхности. Если надо закалить изделие после ковки, долго греть заготовку нельзя. Лучше увеличить температуру в очаге горна.

Нижняя граница ковки должна превышать отметку 723 °C, выше которой кристаллическая решетка металла меняет свою структуру на гранецентрированную кубическую. В этом состоянии сталь имеет наибольшую пластичность.

Определение верхней границы ковки зависит от температуры плавления: она должна быть на 100–150 °C ниже последней. При превышении этого предела начинается резкое увеличение размеров зерен металла, что приводит к уменьшению пластических свойств. Такой дефект называется перегревом. Его можно устранить, проведя дополнительную ковку, после которой зернистость уменьшается, и подвергнув металл повторной термической обработке.

Нагрев до более высоких температур в горне приводит к тому, что материал начинает плавиться, вследствие чего большое количество углерода и других газов проникает в его нижние слои. Там происходит активное окисление, которое в кузнечном деле называется пережогом. Связь между зернами нарушается, и металл навсегда теряет пластичность.

Нагревание сплавов следует производить в строго ограниченном температурном промежутке, который определяется свойствами материала. Он обозначается буквами Тн и Тк – температура начала и конца ковки.

При приближении к Тк у металла устанавливается мелкозернистая структура, которая обеспечивает высокую пластичность, поэтому при нагревании его стремятся доводить до этой температуры. Такой режим позволяет дольше ковать изделие. Но, с другой стороны, при долгом повышении температуры с поверхности начинает выгорать углерод. Деталь после этого будет очень трудно закалить. Поэтому режим следует выбирать заранее, с учетом поставленной задачи.

Интервал, в котором можно проводить ковку, у разных марок стали различный. Самый широкий (до 500 °C) имеют малоуглеродистые сорта стали, что позволяет обрабатывать их в течение длительного промежутка времени без дополнительного нагрева. Чем выше содержание углерода, тем этот промежуток меньше.

Другие металлы, например алюминий, имеют более низкий температурный интервал обработки. Для сплава ВД17 он составляет 400–470 °C.

Во время ковки металл постепенно остывает и с трудом поддается деформации. Поэтому останавливать процесс надо уже при достижении температуры, которая на 20–30 °C выше Тк.

Табл. 5 содержит информацию о температурных интервалах некоторых марок стали.

Таблица 5. Температурные интервалы ковки

Определение времени нагрева зависит от многих факторов. Не рекомендуется брать заготовки слишком большого диаметра, так как на полное прогревание требуется слишком много времени, за которое образуется большой слой окалины. В то же время, если слишком поспешить, то внутренние слои не приобретут достаточной пластичности и могут потрескаться.

Скорость нагрева зависит также от сечения заготовки. Быстрее нагреваются круглые детали, медленнее – квадратные. У изделий большего сечения разница почти отсутствует. Нагрев в горне, заправленном древесным углем, круглой заготовки диаметром 10–20 мм происходит за 2–4 минуты, а квадратной – за 3–5 минут.

Если размеры больше 30 мм, то время увеличивается до 8–15 минут, а у заготовок диаметром до 50 мм нагрев занимает до 25 минут.

Поскольку каменный уголь дает меньшее количество тепла, то нагревать на нем деталь придется немного дольше. Для того, чтобы получить гарантированно ровный прогрев, поковки рекомендуется выдерживать в огне в течение срока, больше требуемого на 25 %.

Отжиг

Очень часто для выполнения художественных изделий требуется пластичная поделочная сталь, а под рукой оказалась только инструментальная. Как поступить в таком случае? Ковкость металла можно повысить, проведя отжиг.

Как известно, содержащая меньшее количество углерода сталь более пластична.

При отжиге сталь более высокой марки нагревается в горне при температуре 650–720 °C, что соответствует темно-красному цвету каления, в течение 2–3 часов.

Регулировать режим ковки можно интенсивностью поддува. Периодически уровень накала надо проверять, охлаждение и перегрев одинаково нежелательны.

По прошествии нужного времени горн выключают и заготовке дают постепенно остыть. Чем медленнее будет происходить этот процесс, тем пластичнее станет металл. Если отжиг проводится на древесном угле, то можно закопать заготовку в золу и оставить в таком виде на несколько часов. 

Окалина

При нагревании стальных изделий на поверхности образуется слой оксидов железа, называемый в кузнечном деле окалиной. Пластичность металла после ее появления заметно снижается.

С повышением температуры окисление становится более интенсивным, особенно после 900 °C. Образование окалины гораздо сильнее при избытке воздуха, наличие которого определяется по коротким прозрачным языкам пламени. Ее верхний слой, называемый шубой, частично предохраняет металл от дальнейшего окисления.

Параллельно происходит выделение углерода из верхних слоев материала, вследствие чего металл становится менее прочным и хуже закаливается.

У заготовок большого размера часть газа из внутренних слоев переходит во внешние, и металл немного восстанавливает свою пластичность.

В условиях кузницы полностью защитить поковку от образования окалины невозможно. Для уменьшения этого процесса применяют скоростной нагрев, однако делать это можно не во всех случаях.

Следует также отметить, что образование окалины происходит не только во время нагревания, но и в течение ковки. Поэтому при переносе надо следить за тем, чтобы слой «шубы» не осыпался.

Обрабатывая металл на наковальне, окалину удаляют только с тех частей, которые подвергаются деформации. У заготовок из малоуглеродистых сталей нагар легко удаляется ударами ручника.

Перед тем как положить заготовку в горн, на нее наносят специальные обмазки. Они не только защищают металл, но и являются хорошим смазывающим материалом, снижающим время нагрева и увеличивающим пластичность металла.

Простой способ защиты от окалины мелких изделий из инструментальной стали, например чеканов, напильников и т. п., – нагревать их внутри герметично закрытой трубы.

Дефекты нагрева

При недогреве, который появляется при неправильно выбранном тепловом режиме или плохой поддувке, разные части заготовки во время ковки деформируются неодинаково. Это вызывает перекос и образование трещин.

Если прокаливается только часть заготовки, необходимо следить за тем, чтобы весь подлежащий обработке участок был одного цвета. В противном случае поковка требуемой формы не получится.

Важно следить за режимом поддува: он должен быть равномерным и давать необходимую для того или иного процесса температуру.

Часто при неправильном нагреве на поверхности металла возникают трещины. Работы с поделочной сталью, как правило, обходятся без них, поскольку данные сорта обладают широким температурным интервалом ковки.

Глубокие поперечные трещины появляются вследствие слишком быстрого нагрева заготовки, когда внутренние слои остаются еще холодными. Наиболее часто трещины образуются на поверхности, они возникают из-за того, что металл остыл до температуры, которая ниже Тк. Если при ударах молотом заготовка раскалывается на несколько частей, то это свидетельствует о пережоге стали.

Начинающему мастеру следует особенно тщательно следить за соблюдением температурного режима ковки и нагрева. Рекомендуется до начала серьезной работы потренироваться на черновых заготовках, то есть не имеющих еще правильной формы.

Вытяжка

Вытяжка или протяжка – увеличение длины заготовки за счет поперечного сечения. Чаще всего возникает необходимость отковать из куска металла прут или полосу определенного сечения. Для этого надо взять раскаленную заготовку и положить ее на наковальню. Удерживая поковку клещами, наносят по всей длине удары узким бойком молота. Бить надо быстро и часто, за один нагрев отковывая как можно больший участок. Затем заготовку вновь нагревают, поворачивают на 90° и повторяют операцию.

Для того чтобы поковка не раздавалась в ширину и вытягивалась в нужном направлении, применяют желобчатые (седлообразные) наковальни и шпераки, а также ручьи кузнечной плиты-формы. Если нужна круглая заготовка или заготовка с гранями, применяют обжимки (рис. 144).

Рис. 144. Использование обжимки при вытяжке.

Они не только вытянут заготовку в длину, но и выгладят ее, придав нужное сечение. Поворачивая заготовку вокруг продольной оси (для получении граней – на определенный угол), надо ударять кувалдой по обжимке и постепенно передвигать заготовку вперед. Если необходимо получить всю поковку или отдельный участок в виде пластины (например, при ковке лепестков, листьев в растительном орнаменте), заготовку или ее часть расплющивают (разгоняют). При этом площадь увеличивается за счет уменьшения толщины.

Расплющивать можно кувалдой или ручником на наковальне. Если необходимо раздать металл быстрее, надо воспользоваться раскаткой с полукруглыми рабочими поверхностями. Сила удара в таком случае будет сосредоточена на небольшом участке, и металл раздастся равномерно во все стороны.

Вытяжка с переходами

Чаще всего, чтобы выполнить протяжку с большим перепадом размеров, ее проводят в несколько этапов, в промежутке выполняя кантовку. Такая последовательность операций называется переходом. Наиболее удобная последовательность переходов: несколько протяжек с последующей кантовкой на 90°, затем на 45° и закругление с помощью обжимок, раскаток и других специальных инструментов.

Для выполнения нескольких последовательных операций существует правило: независимо от задуманного результата в процессе протяжки заготовка сначала куется квадратного сечения, затем она уменьшается до нужных размеров и только потом ей придается нужная форма.

На рис. 145 показана очередность переходов при ковке различных сечений.

Рис. 145. Последовательность переходов при ковке различных сечений: а – квадратное сечение из круглого; б – квадратное из квадратного; в – круглое из круглого; г – круглое из квадратного.

Разгонка

Одной из разновидностей протяжки, часто используемой в художественной ковке, является разгонка, или изготовление пластины из заготовки большего сечения.

Она выполняется с помощью раскатки, которая разгоняет металл в разные стороны. Последовательным перемещением инструмента создают широкую ребристую поверхность нужных размеров, потом выравнивают ее гладилками до требуемой толщины (рис. 146).

Рис. 146. Разгонка плоской пластины.

 Протяжка на оправке и раскатка

Если необходимо увеличить длину толстостенной трубки или другой пустотелой заготовки при уменьшении ее толщины, надо применять вытяжку с оправкой. Оправку (она круглая или квадратная, обычно слегка коническая или пирамидальная для облегчения снятия заготовки) вставляют в поковку, саму поковку размещают в соответствующих обжимках (рис. 147, а).

Рис. 147. Примеры вытяжки с оправкой: а – протяжка на оправке; б – раскатка.

В процессе вытяжки поковку надо постоянно поворачивать вокруг оси (при работе с квадратной оправкой – на 90°).

Для увеличения наружного и внутреннего диаметров колец, обручей и т. п. металл раздают на оправке. Для этого надо осадить и прошить заготовку или взять готовое изделие и надеть его на цилиндрическую оправку. Оба выступающих конца оправки уложить на подставку, ударами молота раздать металл, постепенно поворачивая заготовку. Диаметр изделия увеличивается за счет утончения стенок. Готовые кольца можно раздать на конической оправке, поставленной в вертикальное положение.

Раскатка увеличивает диаметр кольцевой заготовки протяжкой стенок полосы. Ее применяют для изготовления бесшовных колец высокой прочности (рис 147, б).

Проводят эту операцию на роге кувалдой или используют верхники вогнутой формы. Если кольцо сделано из полосы с продольным распределением волокон, то поперечная деформация незначительна, а расширение идет целиком по периметру. На заключительном этапе делают выглаживание.

Осадка

Осадкой называется увеличение площади поперечного сечения детали за счет уменьшения длины. Эта операция обратна вытяжке (рис. 148).

Рис. 148. Формообразующие операции осадки: а – осадка цилиндрической заготовки; б – высадка верхней части заготовки; в – высадка нижней части заготовки; г – высадка средней части заготовки.

Осадка (рис. 148, а) нужна для уменьшения длины заготовки за счет увеличения толщины (поперечного сечения). Если осадка производится только на отдельных участках заготовки (на концах или в середине), то такая операция называется высадкой (рис. 148, б, в, г).

Осадку применяют для утолщения изделия по всей длине, высадку – для получения отдельных утолщений, при ковке декоративных элементов (узлов, ягод и т. п.), шляпок гвоздей и т. д.

Высадка в середине стержня или полосы проводится также перед изгибанием под углом 90°. Это необходимо для восполнения недостающего металла, иначе в месте перегиба толщина поковки сильно уменьшается.

Когда требуется высадить середину длинной заготовки, ни один из вышеперечисленных способов не подходит. Пруток надо изогнуть в форме буквы Z выше места деформации и наносить удары по изгибу. После выполнения операции заготовку выпрямляют.

Осадка применяется как предварительная операция перед прошивкой при изготовлении колец, трубок и других пустотелых изделий.

Для осадки или высадки нагревают поковку или высаживаемый участок в горне. Если длина заготовки или нагретого участка превосходит диаметр (толщину) не более чем в 2–2,5 раза, а сама поковка относительно короткая, то ставят поковку вертикально на наковальню и бьют ручником или кувалдой по верхнему концу.

Длинные изделия или участки при таком способе осадки могут изогнуться, поэтому их надо положить на наковальню, зажать клещами и осаживать молотом или ручником.

Существует также способ осадки поковки за счет ее собственного веса: для этого зажимают нагретую поковку в клещах и бьют торцом о наковальню. Но необходимо помнить, что обычно такая осадка применяется для небольших изделий.

Чтобы утолщение распространялось только в нужную сторону, заготовку после высадки куют соответствующим образом. Если высадка оказалась недостаточной, процесс повторяют. Для придания желаемой формы утолщению пользуются обжимками, подбойками и т. п.

Фигурную высадку выполняют с помощью гвоздильни. Пруток в этом случае помещают в отверстие наковальни, необходимый по длине конец оставляют снаружи и деформируют ударами кувалды.

Можно высаживать заготовку в тисках. При этом надо помнить, что нагретая часть в тисках охлаждается быстрее. Этот способ используется тогда, когда необходимо получить четкий переход от осаженной части к стержню.

Рубка

Рубкой называется разделение заготовки на части. Для этого используется зубило, разнообразные подложки и кувалда (рис. 149).

Рис. 149. Разделительные операции: а – обрубка с помошью зубила; б – обрубка с помошью зубила и подвески; в – продольная разрубка; г – разрубка отщепов в тисках; д – вырубка или просечка.

Для рубки заготовку нагревают до темно-красного цвета, кладут на наковальню, наставляют кузнечное зубило и сильно бьют по нему молотом (рис. 149, а). Перерубив заготовку на 3/4, переворачивают ее и отрубают окончательно. Толстые поковки перерубаются с помощью зубила и подсечки (рис. 149, б), полосы – с помощью подсечки без зубила. Подсечку вставляют в отверстие наковальни, сверху кладут полосу и наносят удар кувалдой. Нельзя прорубать металл насквозь, потому что можно повредить острые части инструмента. Для окончательного перерубания надо использовать незакаленную площадку у основания рога наковальни или подложить полосу мягкой стали (рис. 149, в). Чтобы лезвия зубила и подсечки не схватывались с горячим металлом и не выкрашивались, перед рубкой необходимо протереть их ветошью, смоченной машинным маслом.

Разновидностями рубки являются разрубка, обрубка (обсечка), вырубка. При разрубке (рис. 149, г) заготовку надрубают, оставляя прочно соединенной на каком-то участке. В художественной ковке этот прием широко применяется, при этом надрубленные зубцы отгибают, вытягивают, расплющивают и т. д., превращая в завитки, листья и цветы на общей ветке, дополнительные (поперечные) зубцы ограды по эскизу и велению фантазии.

Обрубка – это отделение металла по внешнему контуру. Вырубка (рис. 149, д) – удаление части металла по внутреннему контуру, применяемое при создании ажурных изделий или отверстий сложной формы и больших размеров. Для вырубки по сложному контуру применяется специальный инструмент – кузнечный топор (секач) с угловой или полукруглой формой лезвия.

Выбивание отверстий

В кузнице, не применяя сверлильного станка, можно делать сквозные отверстия или углубления с помощью пробойников. Существует два способа выбивания отверстий.

Пробивка

Это один из способов изготовления отверстий, при котором металл отделяется от заготовки. Ее проводят при высокой температуре пробойником, если отверстие небольшого диаметра, и с помощью специальных прошивней.

Пробивку проводят на кольце с толстыми стенками, которое устанавливают на наличнике наковальни. Сверху кладут заготовку тем местом, в котором будет пробиваться отверстие.

Прошивень берут чуть меньшего размера, чем диаметр кольца. Слабыми ударами его вгоняют в металл, который выдавливают в кольцо с другой стороны. Чтобы отверстие получилось ровным, края прошивня должны быть острыми, а зазор между ним и кольцом очень небольшим.

Отверстия диаметром до 30 мм делаются пробойниками с различным сечением рабочей части. Ими пользуются в паре с гвоздильней и кузнечной плитой, подбирая требуемые фасонные отверстия.

Работать пробойниками очень удобно, так как они имеют конические сужения к обоим концам. Это позволяет легко вынимать инструмент из отверстия или проталкивать его в отверстие.

После пробивания отверстия поверхность около него несколько деформируется. Заготовку правят легкими ударами ручника или используют гладилки.

Прошивка

Если пробивка отверстия производится за счет выдавливания металла, то при прошивке он раздается в стороны, пропуская инструмент. Чаще всего этот способ является подготовительным этапом для пробивания.

Во время прошивания отверстия импульс от ударов распространяется не только строго вниз, но и немного в стороны. Чем больше диаметр инструмента, тем больше форма заготовки прогибается внутрь. Поэтому прошивку осуществляют в самом начале обработки изделия в несколько этапов по разным схемам.

Открытую прошивку выполняют на рабочей плоскости наковальни. Пробойник погружают на 2/3 в глубину металла, затем изделие переворачивают на другую сторону и легкими ударами выбивают оставшуюся часть. При закрытой прошивке место заготовки, в котором будет пробиваться отверстие, располагают над круглым отверстием наковальни. От ударов по пробойнику металл выдавливается с другой стороны (рис. 150).

Рис. 150. Прошивка отверстия пробойником.

Инструмент погружают примерно на 1/2 глубины металла, затем заготовку вынимают и, не отнимая пробойника, делают легкий удар, чтобы точно обозначить место с другой стороны. Затем поковку переворачивают, ставят над отверстием и выбивают прошивнем металлическую пробку.

Во время работы инструмент рекомендуется немного покачивать после каждого удара. В противном случае он застревает и требуются большие усилия, чтобы продвигать его дальше.

При прошивке глубоких отверстий пробойник необходимо периодически погружать в воду, так как иначе он сам может начать деформироваться. К тому же охлажденный он дает усадку и легче проходит в отверстие.

Другой способ обезопасить инструменты – насыпать в образующееся отверстие немного угольного порошка. При работе он будет гореть, а образовавшиеся газы будут выполнять роль смазывающего вещества и предотвращать взаимодействие металлов.

Раздача

При прошивке и пробивке образуются отверстия, края которых имеют коническое сужение. Для исправления этого дефекта используют бочкообразные оправки, которые проталкивают сквозь отверстие. При этом стенки вдавливаются внутрь, и отверстие получается правильной цилиндрической формы.

У отверстий, выполненных с помощью пробивки, сужение направлено к нижнему краю, а максимальная ширина соответствует наибольшему сечению прошивня. У тех же, которые сделаны пробойником, сужение идет к центру и внешние отверстия имеют диаметр, соответствующий сечению погруженной в металл части инструмента. Это следует учитывать при выборе размера пробойника.

При раздаче тонкие стенки детали могут выпучиваться за внешние границы. Чтобы устранить этот дефект, в отверстие вставляют стержень такого же диаметра, кладут заготовку горизонтально на наковальню и делают осадку выступа.

Инструмент при выбивании отверстий располагают вертикально, первые удары наносят слабо, чтобы наметить место и создать направление деформации.

 Гибка

Если поковке придается изогнутая форма по заданному контуру, то такая кузнечная операция называется гибкой. При гибке происходит неравномерное деформирование различных частей заготовки. Те слои, которые расположены у внешнего края угла, растягиваются, внутренние, наоборот, сжимаются. За счет этого толщина изделия уменьшается на величину, называемую утяжиной.

В процессе такой деформации главное – избежать появления трещин на внешней части. Она подвергается наиболее сильному воздействию, которое зависит от величины угла сгиба, пластичности металла, толщины заготовки и направления волокон.

Чаще всего гнется горячий металл, но тонкие полосы поделочной стали гнутся и в холодном виде. Деформация такой полосы более упругая, поэтому ее лучше делать на угол, на несколько градусов больше, чем требуется.

Приемы гибки

Они зависят от формы поперечного сечения заготовки. Перед началом операции ее разогревают до температуры ковки, желательно только в том месте, в котором осуществляется сгиб.

Следующий этап – высадка внешней части сгиба, которая будет компенсировать утяжину (рис. 151).

Рис. 151. Способы устранения утяжины.

Размеры ее определяются с учетом толщины и угла сгиба. Можно оставить утолщение на месте сгиба во время выполнения протяжки. Заготовку кладут на угол наковальни, прижимают сверху кувалдой или струбциной и ручником изгибают на нужный угол (рис. 151, а).

У более коротких заготовок металл наращивают уже после того, как произведена гибка. Сделать это можно прямыми ударами по торцу или же гладящими ударами по внешним сторонам (рис. 152, б). Когда требуется сделать угол меньше 90°, проводят высадку внешней части, затем сгибают деталь необходимым образом. Далее проводится протяжка угла, то есть запас металла перемещается в сторону утяжины. Удар ручником делается с небольшим наклоном, как показано на рис. 151, в.

Рис. 152. Различные приемы гибки: а, б, в – с помощью подложек; г – в вилке; д – на гибочной плите.

Сгибание полосы

Очень просто согнуть полосу металла, поскольку толщина ее обычно небольшая. Сделать это можно с помощью различных подкладок (рис. 152), например углового нижника (рис. 152, а).

Нижник устанавливают в квадратное отверстие наковальни, заготовку кладут на ребра и деформируют заостренной кувалдой.

Используя другие подкладки, можно получить различные формы сгиба, как это показано на рис. 152, б, в.

Сгибание круглой заготовки

Для сгибания круглой заготовки высадку проводить неудобно, поэтому его осуществляют в специальной вилке (рис. 152, г). Пруток удерживают в ней клещами, а свободную сторону загибают на нужный угол ударами молота. Более усовершенствованную модель представляет собой гибочная плита с перемещаемыми держателями. На металлической плите делается несколько отверстий, в которые вставляются штырьки, фиксирующие стержень под нужным углом по отношению к вилке. Для сгибания применяется рычаг, который равномерно деформирует деталь.

Гибка по дуге

Эта разновидность гибки очень часто используется художниками для создания красивых завитков, спиралей и прочих украшений. Производится она на роге наковальни, шпераках и сложных оправах, которые служат для серийной гибки одинаковых орнаментов.

Гнуть завитки и спирали можно на специальной подкладке в форме перевернутого сапожка. На конусообразной подставке делают конусные спирали, плотно наматывая на нее раскаленную проволоку или загибая ее с помощью ручника.

Скручивание

Эта операция заключается в том, что одна часть заготовки поворачивается относительно другой. Во многих случаях она является вспомогательной: отдельные детали поковки выполняются в одной плоскости, а затем поворачиваются под разными углами.

Для расположения в пространстве отдельных элементов орнамента часть заготовки поворачивается на угол до 180°, обычно с одновременным изгибом по дуге или под углом. Многократное скручивание на 360° граненого стержня делает его витым. Несколько тонких прутков или проволок можно скрутить (свить) в шнур. Наиболее красивый шнур образуют два туго свитых круглых прутка.

Скручивание или свивание производят при ярко-красном или желтом калении, иначе на изделии из-за недостаточной пластичности металла могут возникнуть трещины (рис. 153).

Рис. 153. Способы скручивания: а – в тисках с ограничительной трубой; б – двумя клещами; в – в тисках; г – с неподвижным закреплением двух концов.

Толстые поковки скручивают с помошью воротка, стальной полосы с отверстием, соответствующим сечению скручиваемой поковки, ключа или вилки (рис. 153, в), второй конец заготовки при этом зажимают в тиски.

Для того чтобы заготовка не изгибалась при скручивании, на нее надевают отрезок трубы. Тонкие заготовки быстрее остывают, поэтому их либо больше нагревают перед зажатием в тиски и вороток, либо (что лучше) скручивают вдвоем. При этом необходимо клещами захватить концы заготовки и одновременно начать вращать в противоположных направлениях (рис. 153, б).

Широкие полосы закручивают с помошью специальной вилки, зажав оба конца заготовки (рис. 153, г).

Сварка

Это одна из самых сложных операций ручной ковки. Для овладения ею требуется большой опыт работы с металлами и знание технологического процесса.

Кузнечная (горновая сварка) позволяет соединять отдельные детали изделия. Откованные по отдельности детали можно более тщательно оформить, соединить в большое и сложное изделие и т. д. В последнее время все чаще используется электрическая или газовая сварка, однако зачастую только горновая сварка может обеспечить высокие художественные достоинства изделия, так как кузнечные швы легче обрабатываются и отделываются.

При кузнечной сварке различают 4 основных операции: подготовка концов, нагрев, сварка, проковка шва.

Кузнечная сварка отличается от аналогичной слесарной операции. Когда при деформировании на малое расстояние происходит сближение поверхностей, между атомами кристаллической решетки возникают мощные силы притяжения. Если металл имеет высокую пластичность, то на такое расстояние его можно свести нагреванием в кузнечном горне.

Выбор материала

Хорошее качество сварки можно получить у низкоуглеродистой конструкционной стали. Кузнечной сваркой лучше всего сваривать сталь с содержанием углерода 0,15–0,25 %.

Некоторые примеси, например сера и фосфор, сильно ухудшают свариваемость, поэтому содержание этих веществ не должно превышать 0,05 %. Легированные стали брать не рекомендуется, сварка их в условиях обычной кузницы почти невозможна. Положительно на качество сварки влияет добавление марганца. Также к сварочному флюсу рекомендуется добавлять опилки низкоуглеродистой стали. При горении они будут поглощать углерод, и сварка получится более прочной.

Нагрев под сварку

Перед началом сварки заготовкам необходимо придать определенную форму, которая зависит от сечения поковки. Поверхности очищают от окалины. Горн следует прочистить тщательнее, чем обычно, удалить всю старую золу. Нагрев должен быть равномерным и сильным.

Температура, при которой можно проводить сварку, зависит от содержания углерода: чем оно выше, тем ниже температура. Низкоуглеродистую сталь можно варить при 1350–1370° С, когда заготовка становится ослепительно белой. Лучшим топливом является древесный уголь, так как содержание серы в нем невелико. При работе с кузнечным углем надо использовать те сорта, в которых содержится минимальное количество серы.

Флюсы

Даже при незначительном повышении температуры ковки (а она гораздо ниже сварочной) происходит интенсивное образование окалины и возможен пережог металла. Чтобы избежать нежелательного нагара при горновой сварке, раскаленные части заготовок посыпают специальным составом – флюсом. Используются и сварочные порошки, состоящие из кварца, поваренной соли и буры (Na2B4O7).

Для сварки низкоуглеродистой стали в качестве флюса берут просеянный речной песок с добавлением буры. Если сталь конструкционная, в состав включают металлические и марганцевые опилки. Его насыпают на заготовку при температуре 950–1050 °C, что соответствует оранжевому или светло-желтому цвету металла. Делать это лучше до того, как металл начнет искриться. Попадая на разогретые концы, флюс плавится, вследствие чего предотвращается окисление и растворяется окалина.

Проверить готовность поковки можно тонким металлическим стержнем: если он вязнет в металле, то нагрев достаточный. Однако сразу после этого вынимать ее не рекомендуется, лучше подсыпать еще флюса и немного погреть заготовку.

После окончательного нагрева и непосредственно перед сваркой флюс удаляют с заготовки ударом о наковальню или счищают металлической щеткой.

 Способы сварки

Вынув металл из горна и счистив шлак, концы заготовок складывают вместе и сваривают быстрыми ударами молота. Первые удары делают легкими, чтобы лучше пригнать поверхности и выбить шлак, последующими проводят окончательную сварку. В это время зернистость металла уменьшается, он становится более прочным.

Заключительными ударами заготовке придают требуемую форму.

Всю сварку надо проводить быстро, чтобы металл не успел остыть. Повторное нагревание уже закаленного металла нежелательно. Часто для большей скорости сварку делают одновременно несколько человек.

Для окончательной отделки используют гладилки, обжимки и другие кузнечные инструменты.

Подготовка свариваемых концов зависит прежде всего от их толщины (рис. 154).

Рис. 154. Различные способы сварки: а – внахлестку; б – вразруб; в – встык; г – врасщеп; д – с помощью шашек.

Поковки толщиной до 100 мм можно сварить внахлестку. Этот способ позволяет создать высокопрочный стык за счет большой площади совместной деформации.

Перед сваркой концы заготовок высаживают и делают плоскость контакта под углом 30–45° (рис. 154, а). Их накладывают друг на друга, совмещают несильными ударами, а затем проводят окончательную проковку с одновременной осадкой до нужной формы.

Толстые изделия сваривают вразруб, этот метод требует более сложной подготовки концов деталей. Один из них высаживается и надрубается зубилом по продольной оси, полученные части разгибаются под углом 30–40°. Другой конец после высадки заостряют с двух сторон так, чтобы он заполнял разруб первого (рис. 154, б).

Пустоты, образующиеся при вставке, ликвидируют холодной ковкой. Для учета раздачи металла при нагревании в промежуток между ними вставляют тонкие пластины. Нагретые и очищенные от флюса концы совмещают и сваривают сильными ударами. Затем, когда металл немного остынет, проводят окончательную отделку. Этот способ применяется при сварке сталей разных марок, причем металл меньшей пластичности вставляется в металл большей.

Тонкие полосовые заготовки сваривают врасщеп. Концы заготовок дважды разрубают вдоль продольной оси, после чего загибают в разные стороны, как показано на рис. 154, г. После доведения металла до нужной температуры детали соединяют, кладут на наковальню и сильными ударами сверху накрепко сваривают концы. Преимущество этого способа сварки в том, что соединение получается очень прочным.

Встык варят заготовки в том случае, если нет возможности подготовить концы указанными выше способами, а также тогда, когда стержень приваривается к продольной поверхности другой детали.

При подготовке осаживать концы деталей не надо, это происходит уже в процессе сварки. Заготовки соединяют встык и сильными ударами вдоль продольной оси доводят до образования прочного спая (рис. 154, в). Для этого другой конец обязательно должен быть холодным. После окончания работы проводят вытяжку.

По прочности сварки этот способ уступает всем остальным, его рекомендуется применять в тех случаях, когда не требуется создания прочных конструкций. Но для изготовления декоративных деталей он подойдет.

Для ремонта поврежденных деталей или частей металлических колец, которые теряют нужную форму из-за наложения, применяют способ сварки, выполняемый с помощью шашек. Так называются металлические вспомогательные части сварного узла, которые вставляют между концами заготовок. Вместе с последними они образуют участок полосы, по форме не отличающийся от целого (рис. 154, д).

Обычно шашки делаются из низкоуглеродистой стали, что повышает качество сварки. Удары делают сильными, по плоской поверхности спая. Можно разбить процесс на несколько этапов: сначала приварить шашки к концам заготовок, а потом проводить сварку так, как это делается способом внахлестку.

Сварка колец

Чтобы сварить кольцо из прутка круглого или прямоугольного сечения, необходимо предварительно согнуть его на роге наковальни (рис. 155).

Рис. 155. Сварка колец: а – на роге; б – на наличнике.

Концы протягивают или отрубают под одинаковым углом и немного разводят в стороны. Сварку проводят при обычной температуре, на наковальне. Если срез делался в плоскости кольца, то оно отковывается на роге (рис. 155, а), а если в плоскости ребра – на плоской поверхности (рис. 155, б). 

Пайка латунью

Она не относится к кузнечным операциям, но часто применяется для соединения небольших деталей художественных композиций из металла. Паять можно только изделия из поделочной стали, имеющие плоскую или квадратную форму. Круглые прутки соединяются плохо, так как имеют маленькую плоскость соприкосновения.

Перед началом пайки изделие собирают, скрепляя его отдельные части металлической проволокой (биндрой). Затем его помещают в горн и нагревают до красного каления. Закладка должна производиться очень осторожно, место для изделия в углях расчищают кочергой. На решетке оставляют достаточно большой и ровный слой топлива. Подгребать уголь следует так, чтобы его кусочки не попадали на поковку. Дутье горна для равномерного прокаливания должно быть слабым.

В качестве флюса обычно используется бура, которую перед нанесением немного смачивают водой. Когда она растекается по всей поверхности, можно начинать пайку. Для этого прутком латуни, не снимая флюса, касаются тех мест, которые требуется соединить. При этом цвет пламени в горне меняется на зеленый. Передвигать изделие во время пайки нельзя, чтобы не сместить со своих мест отдельные детали.

Композиции, состоящие из многих элементов, сваривают иным образом. В местах пайки заранее раскладывают кусочки латуни с таким расчетом, чтобы при нагревании они растеклись и скрепили детали.

Наряду с кусочками латуни, можно использовать стружку или опилки, которые насыпают на места сварки. Они должны быть чистыми, от примесей железа их очищают с помощью магнита. Более мелкие изделия паяют, применяя в качестве скрепляющего материала глину с добавлением соли. Их собирают, соединяя отдельные части латунной, а не железной проволокой. Затем посыпают бурой, обмазывают глиной и осторожно кладут на металлический лист, который помещают в горн.

Дутье должно быть слабым, чтобы глина успела равномерно прогреться, после ее засыхания воздуха можно подавать больше. Когда она начинает трескаться, детали уже надежно скреплены. Латунная проволока начинает плавиться и спаивает отдельные части изделия.

После окончания процесса горн выключают, а готовой поковке дают остыть. Далее с нее аккуратно удаляют глину и флюс, лишний припой снимают напильником.

Правка

Заключительным элементом ковки изделия является правка. С ее помощью устраняют неровности, кривизну и пр.

Изгиб заготовки

Он может проходить по плоскости заготовки или по ребру. В первом случае заготовку укладывают на наковальню выпуклой частью вверх, одной рукой поддерживают с противоположной стороны клещами, а с другой наносят молотом удары по прилегающей к наличнику части выступа. По мере выравнивания молот перемещают в сторону середины.

Сила удара зависит от толщины заготовки. По мере выпрямления все большая его часть переходит в пластическую деформацию металла, что ведет к нежелательной протяжке. Поэтому к концу обработки размах молота постепенно уменьшают.

Изгиб по ребру исправляют растяжением выпуклой части металла. Заготовку ставят так, чтобы горб оказался сверху, и по нему наносят сильные удары кувалдой, которые при перемещении молота к одному из краев делают слабее. Нижнее ребро постепенно удлиняется, а верхнее, наоборот, уменьшается. Окончательную правку делают, переворачивая заготовку с одной стороны на другую. Если в поковке присутствуют сразу оба этих дефекта, то сначала устраняют неровность по плоскости, а затем по ребру.

В том случае, когда образуются дополнительные боковые деформации, заготовку переворачивают на другую сторону и выправляют. 

Выглаживание

После того как все основные операции выполнены и форма изделия откована, приступают к отделке, или выглаживанию. Цель этой операции – устранить следы молотка, шероховатости и другие неровности кованой поверхности.

Выравнивание поверхности производится с помошью гладилок с прямой или изогнутой рабочей частью. Для цилиндрических и граненых участков используют обжимки, для внутренних и вогнутых участков – специальные гладилки.

При операции выглаживания (рис. 156) постепенно перемещают гладилку по поверхности изделия, ударяя по ней кувалдой или ручником.

Рис. 156. Выглаживание.

Поковку при этом размещают на наковальне так, чтобы отделываемый участок был над ней. В некоторых случаях для большей художественной выразительности нужно выглаживать только отдельные участки изделия (например, выпуклые участки). Прутки круглого сечения, выглаженные плоской гладилкой, будут казаться слегка граненными и лучше смотреться в ограде или орнаменте.

Термическая обработка готовых изделий

Термическая обработка проводится с готовой уже поковкой и служит для того, чтобы изменить структуру металла. От правильного ее выполнения зависит качество изделия и его долговечность.

Закалка

Она предназначена для придания изделиям из металла большей прочности и твердости. Но следует помнить, что при этом они становятся хрупкими. Обычно закаливаются рабочие части инструментов и детали механизмов, подвергающиеся тяжелым нагрузкам. Изделия из низкоуглеродистой стали практически не меняют своих свойств после закалки, поэтому подвергают их термической обработке крайне редко.

Нагрев

Деталь нагревают до температуры, превышающей на 30–70 °C температуру установления правильной кристаллической структуры. Время нагрева должно быть достаточным для установления равномерного строения во всем объеме металла. Оно зависит от размеров детали и ее формы, а также от сорта стали.

Слишком длительная выдержка приводит к тому, что зерна металла увеличиваются, и он теряет прочность. Поэтому продолжительность выдержки ориентировочно берется равной 0,2 от времени нагрева. В горне деталь следует расположить так, чтобы холодный воздух из фурмы не попадал на ее поверхность. Для этого заготовку кладут на слой смешанного с золой угля.

Охлаждение

Очень важной частью закалки является охлаждение. От него зависит установление необходимой структуры металла.

Скорость охлаждения не должна быть меньше 150 °C в секунду. Так как температуру заготовки целесообразнее всего доводить до 400–450 °C, то продолжительность процесса составляет лишь 2–3 секунды.

В качестве жидкостей для охлаждения используются вода и трансформаторное масло. В последнем скорость понижения температуры меньше, при нормальных условиях она не превышает 180 °C в секунду. В холодной воде охлаждение идет быстрее – примерно 600 °C в секунду.

При погружении раскаленной детали в жидкость очень важно, чтобы температура последней повышалась очень незначительно. Если объем ее небольшой, то увеличить конвекцию можно помешиванием.

Хороший результат дает закалка в проточной воде, так как при этом образующийся между заготовкой и жидкостью слой пара быстро рассеивается. Улучшить качество закалки можно добавлением в емкость поваренной соли, соды (до 10 %) или серной кислоты (до 12 %).

Когда требуется закалить только часть изделия, например рабочую часть инструмента, после опускания на необходимую глубину его несколько раз перемещают в вертикальном направлении, чтобы не образовалось трещин в промежуточной части.

При неправильном погружении в воду изделие может покоробиться от неравномерного охлаждения. Чтобы этого избежать, надо опускать детали в воду так, как это показано на рис. 157.

Рис. 157. Погружение поковок в охлаждающую жидкость: а – зубило; б – топор; в – сверло; г – напильник; д – клещи.

Скорость охлаждения так же, как и скорость нагрева, зависит от размеров заготовки и материала, из которого она сделана. Изделия из малоуглеродистых сталей охлаждают в воде, но если они имеют сложную форму, то лучше проводить процесс в масле, иначе на поверхности могут появиться трещины.

У заготовок большой площади сечения верхние слои охлаждаются быстрее нижних, поэтому закалка внешней части гораздо более сильная. Если сталь содержит легирующие элементы – такие, как марганец, хром и другие – то глубина закалки увеличивается.

Часто кузнецы выполняют закалку изделий сразу после ковки, что позволяет значительно экономить топливо. Для этого ковка выполняется с таким расчетом, чтобы после ее окончания металл имел температуру, при которой можно проводить закаливание.

Способы закалки

С понижением накала изделия скорость охлаждения тоже должна меняться. В интервале 650–450 °C она должна быть не больше 30 °C в секунду. Чтобы достичь такого режима, пользуются способом, который называется «через воду в масло».

Заготовку опускают сначала на несколько секунд в воду, а затем быстро переносят в масло. Время выдержки составляет 1–1,5 секунды на каждые 5 мм сечения детали. Такой способ применяется для закалки инструментов, сделанных из низкоуглеродистой стали.

Часто у различных режущих инструментов требуется закалить только верхнюю поверхность, а середину оставить мягкой. В этом случае пользуются поверхностным способом закалки.

Изделие на короткий срок помещают в горн или раскаленную до 1000 °C печь, а затем подвергают быстрому охлаждению под проточной водой. При этом надо тщательно соблюдать температурный режим закалки, в противном случае не исключено образование трещин.

Закалка различается по интенсивности. Получить сильную степень можно с использованием охлажденной до 15–18 °C воды и добавками соли и соды.

Среднюю закалку дает погружение поковки в горячую воду, а также добавление нефти, мазута, жидкого минерального масла и пр. Эти материалы образуют на поверхности пленку толщиной до 3 мм, которая более плавно охлаждает деталь.

Закалка с использованием в качестве охлаждающего материала струи воздуха или расплавленного свинца получается самой слабой.

Таким способом закаливают художественные изделия и части несущих конструкций, требующих большой точности расположения частей.

Отпуск

После закалки изделия приобретают не только прочность, но и излишнюю твердость. За счет сохраняющихся в поковке закалочных напряжений появляются трещины. Если начать работу закаленным молотком, то от него будут откалываться маленькие кусочки металла, другие детали от ударов крошатся.

Для устранения этих дефектов изделие необходимо подвергнуть отпуску. Эта операция после закалки обязательна и состоит в нагревании предмета до определенной температуры, выдерживании при ней в течение 10 минут и последующем медленном охлаждении. Она служит для придания металлу большей пластичности.

Перед началом отпуска поверхность зачищают. При нагревании она начинает покрываться тонкой оксидной пленкой, которая с увеличением температуры меняет свой цвет. По ней можно следить за сроком окончания отпуска.

При естественном освещении температуры соответствуют следующим цветам побежалости:

– 220 °C – светло-желтый;

– 230 °C – желтый;

– 240 °C – золотисто-желтый;

– 255 °C – коричнево-желтый;

– 265 °C – красно-коричневый;

– 275 °C – ярко-красный;

– 285 °C – фиолетовый;

– 305 °C – темно-синий;

– 325 °C – светло-синий;

– 345 °C – серый.

При высоких температурах поверхность металла покрывается темным налетом, который пропадает только после достижения отметки 600 °C, то есть с появлением цветов каления.

В зависимости от требуемых свойств и материала, из которого изготовляется деталь, используются разные виды отпусков.

Высокий отпуск

Так сокращенно называется высокотемпературный отпуск, при котором сильно увеличивается пластичность и почти полностью ликвидируются закалочные напряжения.

Детали нагревают до 450–650 °C, выдерживают в зависимости от площади поперечного сечения 5–10 минут (полное прогревание) и охлаждают.

Углеродистую сталь можно охлаждать на открытом воздухе, а легированную – в воде, так как иначе металл не приобретет пластичности.

Следует отметить, что прочность стали при высоком отпуске значительно снижается. Поэтому данный способ не используют при изготовлении инструментов.

Основное его применение – в комбинации с закалкой. Этот прием называется улучшением и дает оптимальное соотношение между прочностью стали и ее вязкостью. Ему подвергаются детали, испытывающие сильное давление, например оси колес или цепи.

Средний отпуск

Он состоит в нагревании закаленной детали до температуры 350–500 °C (серый цвет побежалости), выдержке и охлаждении на открытом воздухе.

В результате обработки внутренние напряжения в металле снимаются, повышается вязкость, и изделия сохраняют как прочность, так и пластичность. Их обычно используют там, где присутствуют высокое трение и динамические нагрузки. Так отпускают пружины, рессоры и т. д.

Низкий отпуск

Низкотемпературный отпуск проводят с нагреванием до 140–300 °C и последующим охлаждением. Чем выше температура, тем большей мягкостью будет обладать поковка, приобретенная при закалке твердость не теряется.

Подвергать отпущенные при слабом нагревании детали изгибам и другим видам пластических деформаций нельзя. Благодаря большой твердости металла этот способ используется при закалке режущих и измерительных инструментов.

Отпуск закаленных инструментов

Часто закалку и отпуск при изготовлении кузнечных инструментов делают одновременно. Эта операция называется самоотпуском.

Нагретую для закалки поковку охлаждают не полностью, а до 400–450 °C. Участок поверхности обрабатывают на наждачном круге или с помощью любого абразива до снятия верхнего слоя окалины. Затем по цвету побежалости определяют температуру начала отпуска и окончательно остужают изделие в воде.

Обычный отпуск выполняют следующим образом. Поверхность изделия тщательно очищают от налета, шлифуют и нагревают. По цветам побежалости, которые меняются очень быстро, следят за моментом, когда инструмент достигнет нужной температуры. Затем его быстро охлаждают.

Если нужно закалить только рабочую поверхность инструмента, нагрев производится чуть выше его режущего конца. Температура должна быть немного выше требуемой.

Затем рабочую поверхность инструмента аккуратно погружают в воду, с остывшего конца шкуркой удаляют окалину. Теплота, оставшаяся в верхней части, передается к холодной части заготовки, и она начинает нагреваться. После достижения нужной температуры деталь окончательно охлаждают.

Проводить закалку и отпуск инструмента с двумя рабочими концами, например чеканного молотка или ручника, следует так, чтобы между ними оставался слой мягкой незакаленной стали. Это можно сделать за один прием, нагревая целиком всю заготовку.

Когда металл достигает нужной температуры, изделие охлаждают в воде, начиная с меньшего конца. Его погружают в воду и по цвету побежалости следят за вторым концом, чтобы он не остыл раньше времени. После того как второй конец достигнет нужной температуры, его, в свою очередь, опускают в воду, а меньший очищают от окалины.

Когда на нем появится нужный цвет побежалости, его опять охлаждают.

Остужая таким образом по очереди то одну, то другую части изделия, производят закалку концов. Середина должна оставаться нагретой и сохранять запас энергии, поэтому для вращения лучше использовать клещи с узкими губками.

Если в закаленном изделии требуется отпустить только небольшой участок, берут клещи с ровными массивными губками, нагревают их до нужной температуры и зажимают металл в выбранном месте. Этот способ используется тогда, когда необходимо пробить отверстие в уже закаленном инструменте.

Термическая обработка цветных металлов и сплавов

Выше приводилось разделение алюминиевых сплавов на две группы. Металлы, относящиеся к первой группе, легко деформируются и имеют небольшой запас прочности. Поэтому для их обработки больше подходит холодная ковка. Из этих материалов делаются легкие детали художественных композиций.

Алюминиевые сплавы

Сплавы второй группы после нагревания приобретают повышенную прочность в сочетании с хорошей пластичностью. Процесс термической обработки состоит из двух частей: закалки и старения.

Закалка проводится при температуре около 500–505 °C с последующим остужением в воде до 150–165 °C. Затем деталь выдерживают в течение 2–3 суток при комнатной температуре (так называемое естественное старение) или несколько часов при повышенной (искусственное старение).

Медные сплавы

За счет образования наклепа во время холодной ковки прочность латуни резко увеличивается, но теряется вся пластичность. Данное свойство используют для изготовления предметов быта, так как изделия из этого сплава к тому же не окисляются при контакте с большинством жидкостей.

Если требуется снять наклеп, проводят рекристаллизационный отжиг при температуре 600–700° С в течение 2–3 часов. Для сохранения таких изделий нужно проводить сезонный отжиг при 200–300 °C, чтобы они не потрескались от влажности.

Бронзовые поковки подвергают нормализующему нагреванию до температуры 600–650 °C и старению, после чего металл восстанавливает свои пластические свойства.

Алюминиевые бронзы можно подвергать закалке нагреванием до 950 °C с последующим остужением в проточной воде. Изделия после такой обработки приобретают высокую прочность.

Художественное оформление кованых изделий

Теперь, после ознакомления с кузнечным ремеслом, рассмотрим процесс создания с его помощью произведений искусства. Конечно, можно попробовать ковать что-либо на глазок и посмотреть, что в результате этого получится. Однако в этом случае вряд ли изделие обрадует кого-либо. Поэтому для получения заранее намеченных форм и узоров начать нужно с эскиза и чертежа.

Подготовка чертежа

При составлении эскиза следует учитывать свойства материала: каким бы тонким ни хотелось сделать тот или иной декоративный элемент, металл должен сохранять запас прочности. Кроме того, развивать композицию лучше в соответствии с направлением волокон, в противном случае изделие получится хрупким.

Когда при сварке образуется чересчур много окалины, размеры изделия уменьшаются. Усадка происходит и во время остывания, вытяжки и других кузнечных операций. Поэтому рисунок делается с напуском, то есть чуть больше, чем требуемая деталь.

Необходимо знать массу отхода при выполнении той или иной операции, чтобы правильно рассчитать размер.

Далее на плотной бумаге (лучше всего подойдет бумага «крафт») необходимо сделать чертеж в натуральную величину. Для отдельных и повторяющихся плоских элементов лучше приготовить шаблоны с нанесением напусков и требуемых размеров. Сверять с ними деталь можно на протяжении всего процесса работы.

Сложные и гнутые детали, как никакие другие, нуждаются в точном чертеже. Сделать его легко с помощью проволоки, из которой изготовляется макет в натуральную величину. В местах изгибов и ответвлений ставятся метки, проволоку выгибают и переносят полученные размеры на чертеж.

Часто шаблоны или пробные образцы делают из жести, что позволяет изгибать их в нужных местах. Это дает возможность заранее обдумать последовательность операций и уточнить размеры деталей в процессе ковки.

Декоративные элементы

Для нанесения на поверхность кованых изделий рисунка изготовляют специальные штампы, или пуансоны. Мелкий узор легко пропечатывается на листьях и других плоских элементах поковки. Чтобы выбить орнамент на круглых или фигурных деталях, используют фигурные обжимки, оправки, гладилки, а также кузнечные формы. Композиции чаще всего включают в себя кованые растительные элементы. При всем разнообразии форм способы их изготовления почти одинаковы. 

Ковка листа

Для этой детали больше подходит листовая заготовка, но можно сделать листок и из конца прутка, выполнив осадку с последующей раскаткой и придав нужную форму зубилом.

В первую очередь выковывают ножку листа. Она должна быть толще и длиннее необходимых размеров, так как часть металла уйдет при нагреве, а часть пойдет на сварку. После этого обжимкой с полукруглым углублением выполняют центральную жилку листа. Контур листа вырубают полукруглым зубилом по шаблону, им же наносят мелкие элементы отделки.

Гибку выполняют при нагреве за один раз. При этом часть рисунка иногда портится, и тогда окончательную обработку выполняют зубилом уже в самом конце.

Части листа можно загнуть относительно друг друга, в результате получится очень необычный и красивый лист (рис. 158).

Рис. 158. Последовательность операций при изготовлении листа.

Для придания изделию выпуклой формы рекомендуется использовать фигурный верхник с соответствующей ему подкладкой. Но лист можно изготовить и на плоской поверхности наковальни.

Изделию высадкой придают правильную форму, обратной стороной ручника или специальной полукруглой подбойкой делают рельеф. Поковка при этом раздается в стороны, и лист приобретает законченный вид. Центральную жилку выковывают секачом или зубилом.

Волюты

Так называются декоративные элементы, состоящие из всевозможных завитков. Их можно отковывать из одного куска, либо свивать в холодном состоянии и сваривать из отдельных деталей (рис. 159).

Рис. 159. Изготовление волюты: а – вырубка защепа; б – вырубка в тисках; в, г – формирование завитка; д – готовая волюта.

У цельных волют в первую очередь отковывается основной изгиб. Делается это на роге наковальни с помощью ручника или кувалды. В местах, где в дальнейшем будут вырубаться дополнительные ответвления, заранее производится осадка.

Короткий отгиб называется защепом (рис. 159, а). Он представляет собой самостоятельный элемент, но иногда к нему приваривают отдельные элементы композиции. Защеп делается горизонтально или вертикально с помощью тисков (рис. 159, б).

Завитки вырубают зубилом на наковальне, начиная с противоположного от вершины конца. Отделив от заготовки полосу нужной длины, ее самостоятельно загибают на шпераке (рис. 159, в, г). На заключительном этапе волюту правят, где нужно проводят высадку или вытяжку.

Если все завитки загибаются в одну сторону, то волюту можно сделать за одно нагревание. Завитки, загнутые в противоположную от основной линии сторону, выполняют при местных накаливаниях.

При желании можно украсить и дверь своего дома, особенно в сельской местности. Для основы двери достаточно взять достаточно толстые склепанные кованые полосы. Закрыть их листовым материалом. Для красоты хорошо бы использовать различные накладные элементы: цветы, розетки, завитки.

А чтобы дверь стала произведением искусства, можно выковать оригинальный замок, ручку-стукалу, жиковины.

Сборка кованых изделий

При изготовлении сложных композиций какие-то части приходится выполнять отдельно от основы. Для того чтобы осуществить сборку, необходимо иметь ясное представление о способах скрепления кованых деталей (рис. 160).

Рис. 160. Различные способы скрепления частей кованых изделий.

Соединения могут выполнять функциональную роль, а также быть самостоятельными художественными элементами. В зависимости от этого сборка выполняется несколькими способами.

В композициях с подчеркнутым растительным стилем детали просто свариваются или склепываются. Крепления не несут смысловой нагрузки и поэтому почти всегда маскируются декоративными элементами (цветами, розетками и пр.). Этот прием характерен для стиля барокко. Но когда части изделия скрепляются скобами или заклепками, соединения не скрываются, а, наоборот, выделяются, чтобы подчеркнуть замысел художника, то соединительным элементам придают декоративную форму.

Скобы, или хомуты, для этого отковывают отдельно и в горячем состоянии надевают на те части, которые требуется скрепить. Остывая, они дают усадку, и соединение получается очень прочным.

Скобы можно делать полукруглыми, загибая их уже на скрепляемых деталях, которые перед этим нужно плотно зафиксировать в тисках или струбциной. Но при соединении внахлест скобу делают в одной из пересекающихся полос. В ней просекается отверстие, в которое вставляется пруток такого же сечения, что и продеваемая часть.

Когда подгонку формы заканчивают, то пруток убирают и на его место ставят требуемую деталь, обжимая место соединения клещами, губки которых раскалены до красного каления. Происходит сварка, после которой части композиции прочно скрепляются между собой.

Обработка кованых изделий

Окончательная обработка кованых изделий применяется не только для того, чтобы защитить их от коррозии, но и для придания им законченного вида художественного произведения.

Видов такой отделки множество, здесь приводятся только основные, которые используются большинством мастеров.

Практически любое кованое изделие можно украсить орнаментом, для которого понадобятся ручники, гладилки, пробойники, зубила, а также некоторые инструменты слесарей и чеканщиков. Орнамент можно делать как на холодной, так и на горячей заготовке. Орнамент, выполненный на холодной заготовке, получается плоским и поверхностным, а на горячей – глубоким и объемным.

Используя ручник, можно нанести огранку (специальные грани) на подготовленную поверхность, а с помощью кузнечного зубила получится штриховой орнамент. Для нанесения прямых линий используют зубило с прямолинейным лезвием. Для нанесения линий с более мягкими, нерезкими очертаниями надо взять зубило с затупленной режущей кромкой. Работая с зубилами, у которых разная кривизна лезвия, можно получить сложные орнаменты, состоящие из цветов, кружков и розеток.

Насечка

К заключительным видам ковки относится насечка рисунка, проводимая в горячем или холодном состоянии с помощью зубила. Этим способом можно наносить штрихи, насечки, решетки фона, узоры, надписи и т. п. Насекание производят на плоских поверхностях, которые на готовом изделии будут хорошо видны (не будут закрыты другими деталями, не попадут в тень и т. д.). Плоские изделия насекают на наковальне, полые и кольцеобразные – на оправках.

На отдельные элементы изделия можно наносить насечку уже во время ковки. Например, выковав лист, сделать на его поверхности различные прожилки с помощью зубила, а только потом изогнуть лист по своему желанию. Чтобы нанести насечки на объемное изделие, лучше использовать оправки.

Набивка

Набивка рельефа и фактуры также относится к отделочным операциям. Помимо цветов и розеток, можно украсить изделие точками и всеми видами углублений. Для этого понадобится пробойник со специально заточенной рабочей частью и некоторые другие инструменты. При нанесении на поверхность изделия углублений, нельзя забывать использовать подкладной инструмент. Им могут быть протяжки, притупленные зубила, гладилки и пробойники. С помощью гладилок, поставленных под определенным углом, можно получить углубления треугольной формы, с помощью протяжек – волнистую поверхность, с помощью пробойников с разным сечением рабочей части – углубления круглой, квадратной, конической формы, с помощью притупленного зубила – бороздки. Кроме вышеперечисленных инструментов можно использовать пуансоны, чеканы, молотки с бучарами.

Воронение

Воронение, пожалуй, самый распространенный способ обработки стали, прекрасно защищающий ее от коррозии и придающий изделиям красивый черный цвет.

Проще и доступнее всего осуществлять воронение следующим образом. Изделие быстро нагревается до температуры 600–650 °C (темный цвет заготовки) и погружается в машинное масло до неполного остывания. После просушивания вынутой поковки на поверхности образуется темная пленка магнитного оксида железа, хорошо предохраняющая металл от коррозии.

Вместо машинного можно использовать льняное масло, но тогда деталь следует смазать им перед нагреванием. Так как масло легко воспламеняется, перед загрузкой в горн поковку необходимо тщательно просушить.

Если проводить нагрев нежелательно, изделие обрабатывают в растворе из 650 г едкого натра, 200 г натриевой селитры и 200 г перекиси марганца на 1 л воды. Его погружают в кипящий раствор на 1 час, затем просушивают и шкуркой удаляют лишний налет.

Травление

Травлением называют процесс обработки отдельных частей поверхности металлических изделий кислотами. В зависимости от того, какая часть изделия подвергается травлению – рисунок или фон, различают позитивное или негативное травление. При позитивном на обезжиренную поверхность наносят антикислотное покрытие. Оно готовится следующим образом: в скипидаре до состояния смолы растворяют 40 г парафина, 20 г битума и 20 г смолы.

Покрытие наносят на изделие ровным слоем, затем иглой проводят по контуру рисунка. В зависимости от выбранного способа травления либо удаляют части фона, либо тщательно ретушируют линии. Чтобы кислота не слишком сильно разъела изделие, перед погружением на него наносят тонкий слой воска.

Травление проводится разбавленной кислотой, для сталей различных марок используется серная, для цветных металлов – азотная. Ее разводят до 10–15 %-ного раствора, добавляя постепенно воду. Признаком нормального соотношения является прекращение пузырения по всему объему жидкости. Чаще всего изделие опускают в кислоту целиком, но можно покрывать его раствором с помощью ворсистой кисти.

Окраска

Железо не так хорошо, как цветные металлы, окрашивается химическим способом. Поэтому для придания стали с высоким содержанием углерода того или иного цвета рекомендуется сначала нанести на поверхность слой меди или латуни. Делается это обычно с помощью гальванической установки.

Тем не менее в синий цвет можно окрасить сталь, опустив в краситель, приготовленный следующим образом: 140 г гипосульфита натрия на 1 л воды смешивают с раствором 35 г уксусного свинца с таким же количеством воды. Поковку опускают в кипящий раствор и держат там до тех пор, пока она не окрасится в синий цвет.

Придать заготовке коричневый цвет с темным оттенком поможет сурьмяное масло. Его наносят на тряпочку и протирают поверхность, после чего она покрывается тонким налетом ржавчины. На следующий день операцию повторяют и продолжают ее, пока изделие не приобретет нужный цвет. Если по каким-то причинам этот способ не подходит, поступают следующим образом. Деталь на несколько секунд опускают в кипящий 10 %-ный раствор двухромовокислого натрия, после чего равномерно прогревают над открытым огнем.

После окончания окрашивания изделие необходимо протереть льняным маслом и высушить. Для получения яркого цвета перед этим изделие немного нагревают.

Яркий черный цвет получается после воронения. Но если поковка предназначена для оформления интерьера, ее специально чернят.

Древнерусским мастерам был известен способ окраски поверхности в черный цвет с помощью льняного масла. Но гораздо проще погрузить изделие в раствор гидрата или нитрита натрия, нагретый до температуры 130–140 °C, и подержать его там 5–10 минут. Если поверхность была хорошо очищена, то цвет получится ярким и равномерным.

Можно поступить следующим образом. Растворить в 100 мл 30 %-ного раствора фосфорной кислоты 18 г цинкового порошка, затем разбавить смесь 5 л воды, нагреть до кипения и погрузить в нее изделие на 2–3 часа. После завершения обработки поковку промывают под проточной водой и высушивают.

Другие виды обработки

Поверхность любого изделия, особенно если оно выполнялось с тем расчетом, чтобы радовать глаз, можно дополнительно обработать. В зависимости от характера предмета на его поверхность можно нанести рисунок, орнамент или просто отшлифовать.

Нанесение орнамента

Орнамент наносится на поверхность с помощью зубил, пробойников, особым образом закаленных чеканов и т. д. На холодном изделии он получается неглубоким, а на горячем линии значительно четче.

Комбинированием секачей с прямыми и закругленными лезвиями можно получить рисунок любой сложности. Сначала наносятся самые тонкие линии, затем глубокие. Мягкие линии получают притупленными зубилами.

Часто на еще не остывшем изделии выбивают точки и углубления различной формы. Для этого используют пробойники всевозможного диаметра, с фасонной рабочей поверхностью. Применяют также и обычные кузнечные инструменты, например, с помощью гладилки, поставленной под углом к обрабатываемой поверхности, можно получить треугольные углубления. Если в кузнице есть бучарда – молоток с коническими или круглыми выступами на рабочей поверхности, то можно обработать изделие им.

Кроме вышеперечисленных инструментов, для набивки орнамента применяются пуансоны. На их поверхности уже выгравирован определенный элемент, и все, что остается сделать, – это установить инструмент в нужном месте и ручником проковать орнамент.

Крацевание

Так называется способ обработки поверхности изделия с помощью металлических щеток. В зависимости от твердости используемой стали ворс для щеток делают из стальной или латунной проволоки диаметром 0,1–0,2 мм.

Поверхность проглаживают круговыми движениями, силой надавливания на щетку регулируют глубину наносимых линий. Процесс можно облегчить, сделав щетку круглой формы, с металлическим стержнем в середине. Его вставляют в патрон электродрели и обрабатывают изделие. Для того чтобы сделать линии более заметными, ворс перед началом крацевания смачивают в пиве или 3 %-ном растворе серного поташа.

Шлифовка и полировка

Шлифовку кованых изделий осуществляют с применением абразивных порошков. Для сталей с низким содержанием углерода используются такие материалы, как корунд или наждак. Шкуркой обрабатывать металлические поверхности слишком долго, поэтому большинство кузнецов пользуются специальными шкурками или войлочными кругами. Последние можно сделать самому. Из войлока необходимо вырезать несколько кругов равного диаметра, склеить их между собой так, чтобы толщина валика была около 1 см. Через центр продеть опорный стержень.

Нижнюю поверхность кругов надо смазать столярным клеем и наклеить выбранный абразивный материал. После этого можно приступать к шлифовке.

Полировка поверхности – более тонкий процесс, выполняемый с помощью кусочков кожи, сукна или плотной ткани с нанесенным абразивом по уже отшлифованной поверхности.

В качестве полировочных материалов используют порошки корунда, карбида кремния, синтетический алмазный порошок и т. д. Их смешивают с вязким раствором, которым покрывают участок изделия, а затем растирают по всей поверхности.

Чтобы отполировать поверхность внутри углублений поковки, делаются фетровые валики шарообразной формы, которыми работают с помощью дрели.